模电课件第3章集成运放.ppt

集成运算放大器integratedoperationalamplifier Chapter3 2 主要内容 集成运放的简介差动放大电路电流源电路通用型集成运算放大器集成运放的主要参数理想集成运算放大器 3 3 1集成运放的简介 一 简介 集成电路是60年代初期发展起来的 采用半导体制造工艺 在一小块硅单晶片上制作具有特定功能的电子线路 集成电路分为 模拟集成电路与数字集成电路 根据用途和具体功能不同 可分为集成运算放大器 集成功率放大器 集成带宽放大器 集成电压比较器 集成乘法器 集成稳压器 集成A D和D A转换器等 其中通用性最强 应用最为广泛的就是集成运算放大器 4 集成运放是一个高增益直接耦合放大电路 采用具有两个输入端子的差动放大电路 提供增益 通常是共射组态的放大电路 二 组成 多数由恒流源电路组成 由有较强带负载能力的互补推挽电路组成 5 三 特点 集成运放在内部结构上充分利用集成工艺的特点 1 集成工艺难以制作电感和较大容量的电容 一般只能制作200pF以下的电容 集成运放均采用直接耦合方式 2 集成电路中的电阻多是半导体的体电阻 阻值越大 所占硅片面积越大 故大电阻往往利用有源负载实现 3 集成工艺较易制作良好匹配性的同种元 器件 在集成运放中广泛采用对称性电路结构 6 3 2集成运算放大器的单元电路 差动放大电路的组成与原理差动放大电路的分析计算 集成运放的许多重要参数均取决于输入级 差动输入是集成运放中重要的基本单元电路 它能有效地抑制零点漂移 提供一定的增益 具有低噪声等性能 3 2 1差动放大电路 7 产生零点漂移的主要原因 温度变化 直流电源波动 器件老化 其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因 故也称零漂为温漂 放大电路中第一级对整个放大电路的零漂影响最大 且级数越多 零漂越严重 uI 0 uO 0 零点漂移 1 直流放大器的零点漂移问题 8 2 差动放大电路的组成与原理 差动放大电路是由两个结构对称 参数完全相同的共射放大电路组成 1 典型差放电路组成 9 2 差放抑制零点漂移的原理 静态时 输出电压 温度发生变化时 输出电压的漂移 结论 抑制了零点漂移 10 3 差模信号与共模信号的概念 差模增益 1 差模信号uid 在两个输入端加上幅度相等 极性相反的信号 2 共模信号uic 在两个输入端加上幅度相等 极性相同的信号 共模增益 11 3 一般信号 电路的输入信号一般是差模和共模信号共存的 可分解为差模分量信号与共模分量信号 根据线性电路叠加定理 可得一般输入信号时差放输出电压的表达式 12 ui1 10mV ui2 8mV Aud 103 Auc 0 求uo 13 3差动放大电路的分析计算 1 差放的静态分析 2 差放的动态分析 14 1 差放的静态分析 静态时 ui1 ui2 0设电路完全对称 由0 VEE回路得 VEE IBRb UBE 2IERe 通常 1 UBE VEE IBRb IERe UCE VCC VEE ICRc 2IERe 取VEE VCC UCE 2VCC IE Rc 2Re 流过Re的电流是两个管子发射极电流之和 15 2 差放的动态分析 16 差模特性分析 当uic 0时 在uid作用下 1 Re上交流电流方向相反 流过Re的电流大小不变 可视为交流短路 2 RL两端电压变化方向相反 中间电位不变 相当于等效地 故RL分为相等的两部分 双端输入双端输出 17 18 19 这种方式用于将双端差分信号转换成单端输出信号 可用于输出负载接地的情况 若uo uo2 Aud 双端输入单端输出 20 单端输入 设ui1 ui ui2 0 双端输出 单端输出 将单端输入转换为双端输入 每个输入端均为差模信号和共模信号的组合 21 单端输入 双端输出 单端输出 单端输入 22 共模特性分析 当uid 0时 在uic作用下 uo1 uo2RL中共模信号电流为零 相当于断开 对于每一边电路 Re 2Re 23 无共模信号放大能力 双端输出 24 设uoc uo1 Re越大 Auc越小 对共模信号抑制能力就越强 单端输出 25 差动放大电路能够放大差模信号 抑制共模信号 Aud是有用信号的放大倍数 越大越好 Auc表明零漂的程度 越小越好 引入共模抑制比综合衡量 共模抑制比 双端输出 单端输出 4共模抑制比KCMR 26 小结 1 差放电路的主要性能指标只与输出方式有关 而与输入方式无关 2 差放电路双端输出时 单端输出时 RL 3 差模输入电阻不论双端输入还是单端输入方式 单端输出电阻是双端输出电阻的一半 27 28 5差动放大电路的改进之一 电位器RW调节电路的对称性 29 恒流源直流电阻不大 但交流电阻很大 可提高共模抑制比 可用恒流源来代替Re 问题的提出 KCMR Re 为保证Q不变 且输出有一定的动态范围 必须 VEE 不经济 差动放大电路改进之二 30 3 2 2电流源电路 电流源 提供恒定输出电流的电路 其输出电流的精度高 等效交流输出电阻大 在集成电路中多用于直流偏置和有源负载 镜像电流源电路 威尔逊 Wilson 电流源微电流源电路多路电流源 有源负载 31 1镜像电流源电路 设T1 T2的参数完全相同 UBE1 UBE2 UBE IB1 IB2 IC1 IC2 基准电流 1 IC2 IC1 IREF 1 输出电流IC2与基准电流IREF相等 把IC2看作是IREF的镜像 镜像电流源 2 IC2的大小仅取决于VCC和R 与温度无关 1 基本镜像电流源 32 2 Wilson电流源 整理得 33 3 微电流源电路 运放输入级的工作电流IC经常要偏置到5 10 A 微电流源则可满足此需要 很小 34 4 多路电流源 当BJT的 足够大时 IC1 IREF IE1Re1 IREFRe1 IE2Re2 IE3Re3 又称比例电流源 35 5 有源负载 T1为放大管 T2 T3为电流源 作有源负载RC 其动态内阻为 阻值很大 可提高T1组成的共射放大电路的增益 ro rce 36 3 4集成运放的主要参数 输入失调参数差模特性参数共模特性参数动态参数电源特性参数 37 指标参数F007典型值理想值开环差模增益Auo106dB 差模输入电阻rid2M 共模抑制比KCMR90dB 输入失调电压UIO1mV0UIO的温漂dUIO dT 几 V 0输入失调电流IIO IB1 IB2 20nA0IIO的温漂dIIO dT 几nA 0最大共模输入电压UIcmax 13V最大差模输入电压UIdmax 30V 3dB带宽fH10Hz 转换速率SR duO dt max 0 5V S 38 1 输入失调电压UIO 2 输入偏置电流IIB和输入失调电流IIO 输入电压为零时 输入偏置电流IIB为2个静态输入电流的平均值 在室温及标准电源电压下 输入电压为零时 为使运放输出电压为零 在输入端加的补偿电压称失调电压UIO UIO越大 电路的对称程度越差 其值一般在 1 V 几mV 输入失调电流IIO为2个静态输入电流之差 3 4 1输入失调参数 39 偏置电流IIB越小越好 其值一般为 BJT在10nA 1 A FET在0 1nA 0 05pA 输入失调电流IIO反映电路的对称程度 其值一般在1nA 0 1 A 3 温度漂移 输入失调电压温漂 UIO T 规定温度范围内UIO的变化量与温度变化量之比 其值一般在 10 20 V C 输入失调电流温漂 IIO T 规定温度范围内IIO的变化量与温度变化之比 其值一般为nA C 40 3 4 2差模特性参数 1 开环差模电压放大倍数Auo 在标准电源电压及规定负载下 运放工作在开环时 它决定运放运算的精度 Auo一般在80 120dB 2 最大差模输入电压Uidmax 运放正常工作时允许输入的最大差模电压 超过此值 会使输入对管的PN结反向击穿 一般为几至几十伏 41 3差模输入电阻rid 运放输入差模信号时的输入电阻 rid越大 对信号源的影响越小 BJT输入级的rid为105 106 MOSFET输入级的rid可达109 以上 42 3 4 3共模特性参数 1 共模抑制比KCMR 一般在80dB以上 2 最大共模输入电压Uicmax 运放所能承受的最大共模输入电压 超过Uicmax 共模抑制比将显著下降 一般定义KCMR下降6dB时的共模输入电压为Uicmax 43 3 4 4动态参数 1 开环带宽fBW fBW fH 2 转换速率SR 运放在额定负载及输入阶跃大信号时 输出电压变化的最大速率 反映运放对高速变化的输入信号的响应情况 集成运放是高增益的直流放大器 下限频率fL 0 上限频率fH就是其开环带宽fBW 44 3 4 5电源特性参数 2 电源电压抑制比KSVR 运放工作在线性区时 输入失调电压随电源电压的变化率 反映电源电压对运放输出性能的影响 1 电源电压变化范围 在保证运放处于放大状态 且性能参数变化不大的前提下 电源电压允许的最大值与最小值之差 45 集成运放的电路符号 u 同相输入端u 反相输入端uo 输出端Auo 开环电压放大倍数 46 3 5理想集成运算放大器 理想运算放大器的技术参数集成运放工作的传输特性集成运放的工作特点 47 一 理想运算放大器的技术参数 理想运放是将集成运放的各项技术指标理想化 即 1 差模电压放大倍数Auo 2 差模输入电阻rid 3 输出电阻ro 0 4 带宽BW 5 共模抑制比KCMR 现代运放在低频工作时的性能已十分接近理想运放 故在分析运放应用电路时 将实际运放视为理想运放进行估算 48 二 集成运放工作的传输特性 饱和区 线性区 实际运放 理想运放 49 三 集成运放的工作特点 输出电压与两个输入端电压之间存在线性放大关系 即 uo Auo u u 1 差模输入电压等于零 虚短 Auo 2 输入电流等于零 虚断 rid 1 工作在线性区的特点 50 2 工作在非线性区的特点 1 输出电压只有两种可能 即 当u u 时 uo Uom 当u u 时 uo Uom 运放在非线性区时 差模输入电压较大 u u 2 输入电流等于零 51 结论 1 理想运